双稳态折叠结构日光温室前屋面保温设施的设计与试验

doi:10.13304/j.nykjdb.2021.1018

摘要/Abstract

摘要：

为了增加温室生产作业的便捷性和安全性，提高温室的保温性能，研发能代替草帘和保温被等传统覆盖物的新型日光温室双稳态折叠结构保温设施，其在前屋面展开并覆盖后具有稳定的空腔结构，不仅可以承受雪荷载，也更加有利于保温。除此之外，与传统的前屋面保温设施相比，新型保温设施的双稳态性质可以使其拥有展开和收折2个结构稳定状态，这也直接导致其作业方式发生了根本变化，通过充气或抽气破坏其几何不相容性就可以完成状态切换，进行展开和收折操作，免除了卷帘机的使用。通过该设计方法可以制作出任意尺寸的日光温室折叠结构保温设施；经过有限元分析实例得出，单元结构体只需满足倾斜角度为0°时，内部最大应力小于材料强度即可保证其结构稳定；通过静态热箱试验发现折叠结构保温设施的传热系数仅为2.62 W·m^-2·K^-1，其保温性能较传统保温设施更好。与此同时，新型前屋面保温设施也可以通过材料的选取满足机械性能优越、节能环保、经济性良好、耐候性强、重量轻等指标的要求，应用前景广阔，更利于农业设施现代化。

关键词: 日光温室, 保温, 双稳态, 折叠结构

Abstract:

In order to improve the keeping warm capability of greenhouse， a new type of solar greenhouse bistable folding structure thermal insulation facility was researched and developed， which could replace the traditional covering such as straw curtain and thermal insulation quilt. It had a stable cavity structure after the front roof was unfolded and covered， which not only beared the snow load， but also was more conducive to the thermal insulation. In addition， compared with the traditional front roof thermal insulation facilities， the bistable nature of the new thermal insulation facilities made it have two structural stable states of unfolding and folding， which also directly leaded to the fundamental change of its operation mode. As long as the geometric incompatibility was destroyed by inflation or air extraction， the state could be switched to carry out unfolding and folding operations without the use of curtain rolling machines. Through the method proposed in this study， any size of solar greenhouse folding structure insulation facilities could be made. Through the example of finite element analysis， it was concluded to ensure the structural stability of the unit structure only when the inclination angle was 0°， and the internal maximum stress was less than the material strength. Through the static hot box test， it was found that the heat transfer coefficient of the folding thermal insulation facilities was only 2.62 W·m^-2·K^-1， and its thermal insulation performance was better than that of the traditional thermal insulation facilities. At the same time， the new type of front roof insulation facilities also met the requirements of superior mechanical properties， energy saving， environmental protection， good economy， strong weather resistance， light weight and other indicators through the selection of materials， which had a broad application prospect and is more conducive to the modernization of agricultural facilities.

Key words: solar greenhouse, heat preservation, bistability, pleated sheet structure

中图分类号:

S214.3

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图/表 16

图1 三角形视图

Fig. 1 Triangle view

图2 不相容值Δ ABC

Fig. 2 Incompatible value Δ ABC

图3 基本单元组成

Fig. 3 Basic unit composition

图4 保温单元的构建注：①—矩形面；②—软性材料。

Fig. 4 Construction of insulation unitNote： ①—Rectangular surface；②—Soft material.

图5 温室结构注：（1）—带软性材料的保温单元；（2）—不带软性材料的保温单元。

Fig. 5 Greenhouse structureNote：（1）—Insulation unit with soft material；（2）—Insulation unit without soft material.

表1 所用材料的参数

Table 1 Parameters of materials used

材料类型

Material type

密度

Density/（g·cm^-3）

杨氏模量

Young’s modulus/MPa

泊松比

Poisson’s ratio

厚度

Thickness/mm

材料强度

Tensile strength/MPa

图6 数据建模

Fig. 6 Data modeling

表2 各单元体展开约束值与三角形构件的内角参数

Table 2 Expansion constraint values of each unit and internal angle parameters of triangular member

单元体类型 Unit body type	展开角θ Flare angle/（°）	三角形（1） Triangle （1）		三角形（2） Triangle （2）		R_单元 R_unit
单元体类型 Unit body type	展开角θ Flare angle/（°）	α^（1）：内角 Inner angle/（°）	α^（1）：内角 Inner angle/（°）	α^（2）：内角 Inner angle/ （°）	β^（2）：内角 Inner angle/（°）	R_单元 R_unit
上半部分（1）类型单元 Upper part （1） type unit	53.5	28.9	36.0	28.9	45.9	0.964
上半部分（2）类型单元 Upper part （2） type unit	54.6	29.6	36.0	29.6	46.9	0.974
中间M点（1）类型单元 M point （1） type unit	51.4	27.9	36.0	27.9	44.4	0.946
下半部分（1）类型单元 Lower half （1） type unit	43.0	26.7	35.0	26.7	40.4	0.868
下半部分（2）类型单元 Lower half （2） type unit	48.1	28.8	35.0	28.8	43.0	0.936

表3 参加试验的保温设施

Table 3 Thermal insulation materials to be tested

保温设施 Thermal insulation facility	面密度 Areal density/（g·m^-2）	厚度 Thickness/mm
折叠结构保温设施 Folding thermal insulation facility	420	150
保温被 Heat preservation quilt	675	45
草帘 Straw curtain	1 400	23

图7 不相容值ΔABC与展开体积VABC的关系

Fig. 7 Relationship between incompatible value ΔABC and expanded volume VABC

图8 约束RABC 的等值线

Fig. 8 Isogram of constrained RABC

图9 展开角θ的等值线

Fig. 9 Contour of expansion angle θ

图10 等效应力云图A：倾斜角度0°；B：倾斜角度20°；C：倾斜角度40°；D：倾斜角度60°

Fig. 10 Equivalent stress nephogramA： Tilt angle 0°；B： Tilt angle 20°；C： Tilt angle 40°；D： Tilt angle 60°

图11 等效应变云图A：倾斜角度0°；B：倾斜角度20°；C：倾斜角度40°；D：倾斜角度60°

Fig. 11 Equivalent strain nephogramA：Tilt angle 0°；B：Tilt angle 20°；C：Tilt angle 40°；D：Tilt angle 60°

图12 单元结构体的倾斜角度与其内最大等效应力和应变的关系

Fig. 12 Relationship between the inclination angle of the element and its maximum equivalent stress and strain

表4 供试保温设施的传热系数

Table 4 Heat transfer coefficient K of test insulation facilities

保温设施

Thermal insulation facility

热箱内温度

Temperature in hot box/℃

热箱外温度

Temperature outside hot box/℃

内外温差

Internal and external temperature difference/℃

传热系数

Heat transfer coefficient/（W·m^-2·K^-1）

折叠结构保温设施

Folding thermal insulation facility

保温被 Heat preservation quilt

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